CN115149767A - 电磁驱动可调刚度纳米定位平台 - Google Patents

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CN115149767A
CN115149767A CN202210892980.5A CN202210892980A CN115149767A CN 115149767 A CN115149767 A CN 115149767A CN 202210892980 A CN202210892980 A CN 202210892980A CN 115149767 A CN115149767 A CN 115149767A
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electromagnetic spring
electromagnetic
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rotor
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朱利民
王湘元
李琳琳
孟义轩
黄维维
谭淩文
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Abstract

本发明提供了一种涉及纳米定位平台领域的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，包括柔顺机构、法应力电磁致动器、电磁弹簧以及基座，法应力电磁致动器包括致动器定子和致动器动子，致动器定子与致动器动子两侧设有气隙，电磁弹簧包括电磁弹簧定子和电磁弹簧动子，电磁弹簧定子与电磁弹簧动子两侧设有气隙，致动器定子和电磁弹簧定子分别连接于基座上，致动器动子和电磁弹簧动子分别连接于柔顺机构的运动端，柔顺机构的固定端连接于基座上，通过电磁弹簧的可调节的负刚度，实现电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚体可调。本发明通过对电磁弹簧线圈电流的调节，实现对纳米定位平台刚度的调节，可以实现高刚度状态、低刚度状态及二者间任意中间状态的在线切换，能够突破传统纳米定位平台刚度固定、固有频率与行程间存在不可调和矛盾的瓶颈，能够适应更加广泛的应用场景。

Description

电磁驱动可调刚度纳米定位平台
技术领域
本发明涉及纳米定位平台领域，具体地，涉及电磁驱动可调刚度纳米定位平台。
背景技术
纳米定位平台的核心技术(纳米定位平台设计者必须熟练掌握的技术)是精密驱动技术及精密传动技术，其中常用于纳米定位平台的精密驱动技术包括智能材料驱动(压电材料、介电弹性体、磁致伸缩材料等)以及电磁驱动(音圈电机驱动、法应力电磁驱动等)技术，精密传动技术主要使用柔顺机构(柔性铰链、弹性梁，以及二者之结合等)技术。其他技术(纳米定位平台使用者会使用即可的技术)包括驱动电路技术(如前置电压、电流放大器)、传感技术(激光位移传感器、电容位移传感器、应力应变传感器等)、控制技术(前馈控制技术、反馈控制技术、智能控制技术等)等。
传统纳米定位平台基于精密驱动器以及柔顺机构进行设计，其最大主动驱动力以、刚度、以及动质量是固定的，因此其固有频率和最大行程是固定的。在其他条件相同的情况下，刚度越高，纳米定位平台的固有频率越高，越能满足高频工作的需求，但是其行程更低，不能满足大范围工作的需求；刚度越低，纳米定位平台的行程越大，可以满足大范围工作的需求，但是其固有频率较低，不能满足高频工作的需求。因此，传统纳米定位平台的固有频率与行程间存在不可调和矛盾，面向不同的需求，往往需要设计或选购不同的纳米定位平台。
若纳米定位平台的刚度可调，则可使得纳米定位平台的固有频率及行程可调。
山东大学李金银在其硕士学位论文《一类压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服系统设计与分析》提出了一种可调刚度纳米定位平台。其使用可调刚度的柔顺机构，作为纳米定位平台的传动机构。当该机构中的两孔位置被螺栓固定至基座时，该平台具有高刚度，当这两个孔不被固定时，平台具有低刚度。其缺点在于：1、刚度只能在两档调节：即“高刚度”及“低刚度”，无法获得中间的刚度；2、这种调节刚度的原理只能使用手工进行调节，操作困难，且必须在纳米定位平台停止运行后调节，无法在线调节，更无法对刚度进行伺服控制；3、必须使用手工进行机械调节，则必须设置调节孔，并预留操作空间，这使得其难以与其他设备(尤其是在狭小空间内)进行集成。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁驱动可调刚度纳米定位平台。
根据本发明提供的一种电磁驱动可调刚度纳米定位平台，包括柔顺机构、法应力电磁致动器、电磁弹簧以及基座，法应力电磁致动器包括致动器定子和致动器动子，致动器定子与致动器动子两侧设有气隙，电磁弹簧包括电磁弹簧定子和电磁弹簧动子，电磁弹簧定子与电磁弹簧动子两侧设有气隙，致动器定子和电磁弹簧定子分别连接于基座上，致动器动子和电磁弹簧动子分别连接于柔顺机构的运动端，柔顺机构的固定端连接于基座上；
未工作时，致动器动子和电磁弹簧动子两侧气隙相等；工作时，在柔顺机构的导向下，致动器动子和柔顺机构的运动端发生位移，带动电磁弹簧动子发生位移，使致动器动子和电磁弹簧动子两侧的气隙大小不相等，致动器动子、电磁弹簧动子以及柔顺机构的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置；
柔顺机构提供正刚度，法应力电磁致动器提供一部分固定的负刚度，电磁弹簧提供一部分可调节的负刚度，实现电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚体可调。
一些实施例中，电磁弹簧包括电磁弹簧电枢、电磁弹簧磁轭以及电磁弹簧线圈，电磁弹簧电枢和电磁弹簧磁轭首尾相连，电磁弹簧电枢连接柔顺机构运动端，电磁弹簧线圈绕于电磁弹簧磁轭上，电磁弹簧磁轭固定于基座上；
电磁弹簧电枢为电磁弹簧的动子，电磁弹簧磁轭和电磁弹簧线圈为电磁弹簧的定子。
一些实施例中，电磁弹簧磁轭的两端分别与电磁弹簧电枢之间设有气隙，未工作状态下，电磁弹簧电枢两侧气隙相等。
一些实施例中，法应力电磁致动器包括致动器磁轭、致动器线圈、永磁体以及致动器电枢，致动器磁轭和致动器电枢首尾相连，永磁体一端吸附于致动器磁轭中间，永磁体另一端与致动器电枢之间设有气隙，致动器电枢连接柔顺机构运动端，致动器线圈绕于致动器磁轭上，致动器磁轭连接于基座上；
致动器电枢为法应力电磁致动器的动子，致动器磁轭、致动器线圈以及永磁体为法应力电磁致动器的定子。
一些实施例中，致动器电枢两侧分别与致动器磁轭之间设有气隙，在未工作状态下，致动器电枢两侧气隙相等。
一些实施例中，法应力电磁致动器的主动驱动力作用于致动器电枢上，致动器电枢将主动驱动力传递给柔顺机构的运动端，在柔顺机构的导向下，致动器电枢和柔顺机构的运动端发生位移，使致动器电枢两侧气隙不相等，此时，永磁体产生的直流磁通在致动器电枢两侧气隙间分布的密度将不同，气隙小的一侧更密，法应力电磁致动器产生被动驱动力；
当致动器电枢和柔顺机构的运动端发生位移时，电磁弹簧电枢同时发生位移，使电磁弹簧电枢两侧的气隙大小不相等，电磁弹簧线圈通电产生的直流磁通在电磁弹簧电枢左右两侧气隙间分布的密度不同，气隙小的一侧更密，电磁弹簧产生被动驱动力；
致动器电枢、电磁弹簧电枢以及柔顺机构的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置。
一些实施例中，致动器线圈的电流强度和线圈匝数与法应力电磁致动器的主动驱动力成正比；
法应力电磁致动器被动驱动力与致动器电枢的位移大小呈正比且同向。
一些实施例中，电磁弹簧的被动驱动力与电磁弹簧电枢的位移大小呈正比且同向；
电磁弹簧的被动驱动力的强度与电磁弹簧线圈通入的电流强度的二次方成正比。
一些实施例中，电磁弹簧磁轭包括弧形段和直段，弧形段与电磁弹簧电枢首尾相连，电磁弹簧线圈绕于直段上，直段一端连接于弧形段中间，直段另一端连接电磁弹簧电枢；
弧形段分别与电磁弹簧电枢两侧之间设有气隙，直段与电磁弹簧电枢之间设有气隙。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明通过对电磁弹簧线圈电流的调节，实现对纳米定位平台刚度的调节，可以实现高刚度状态、低刚度状态及二者间任意中间状态的在线切换，能够突破传统纳米定位平台刚度固定、固有频率与行程间存在不可调和矛盾的瓶颈，能够适应更加广泛的应用场景；
(2)本发明中刚度调整过程中无需进行任何机械调节，这使得电磁驱动可调刚度纳米定位平台的工业集成十分简便。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的轴测图；
图2为本发明的俯视图。
图中标号：
柔顺机构1、致动器磁轭2、致动器线圈3、永磁体4、致动器电枢5、电磁弹簧电枢6、电磁弹簧磁轭7、弧形段71、直段72、电磁弹簧线圈8、基座9。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
根据本发明提供的一种电磁驱动可调刚度纳米定位平台，包括柔顺机构1、法应力电磁致动器、电磁弹簧以及基座9，法应力电磁致动器包括致动器定子和致动器动子，致动器定子与致动器动子两侧设有气隙，电磁弹簧包括电磁弹簧定子和电磁弹簧动子，电磁弹簧定子与电磁弹簧动子两侧设有气隙，致动器定子和电磁弹簧定子分别连接于基座9上，致动器动子和电磁弹簧动子分别连接于柔顺机构1的运动端，柔顺机构1的固定端连接于基座9上。优选的，未工作时，致动器动子和电磁弹簧动子两侧气隙相等。
工作原理：工作时，在柔顺机构1的导向下，致动器动子和柔顺机构1的运动端发生位移，带动电磁弹簧动子发生位移，使致动器动子和电磁弹簧动子两侧的气隙大小不相等，致动器动子、电磁弹簧动子以及柔顺机构1的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置；
柔顺机构1提供正刚度，法应力电磁致动器提供一部分固定的负刚度，电磁弹簧提供一部分可调节的负刚度，实现电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚体可调。
更为具体的，依据法应力电磁致动器的工作原理，其提供两部分驱动力，即法应力电磁致动器的主动驱动力及法应力电磁致动器的被动驱动力。法应力电磁致动器的主动驱动力与通入致动器线圈3的电流强度及线圈匝数呈正比。法应力电磁致动器具有负刚度特性，因此会产生被动驱动力。法应力电磁致动器的被动驱动力与致动器电枢5的位移大小呈正比且同向，这就是法应力电磁致动器的负刚度特性。
实施例2
本实施例2是在实施例1的基础上完成的，通过电磁弹簧线圈电流的调节，实现电磁驱动可调刚度纳米定位平台的调节，具体的：
电磁弹簧包括电磁弹簧电枢6、电磁弹簧磁轭7以及电磁弹簧线圈8，电磁弹簧电枢6和电磁弹簧磁轭7首尾相连，且电磁弹簧磁轭7的两端分别与电磁弹簧电枢6之间设有气隙，未工作状态下，电磁弹簧电枢6两侧气隙相等。电磁弹簧电枢6通过强力胶或螺栓连接柔顺机构1运动端，电磁弹簧线圈8绕于电磁弹簧磁轭7上，电磁弹簧磁轭7通过螺栓固定于基座9上。电磁弹簧电枢6为电磁弹簧的动子，电磁弹簧磁轭7和电磁弹簧线圈8为电磁弹簧的定子。其中，电磁弹簧的被动驱动力与电磁弹簧电枢6的位移大小呈正比且同向；电磁弹簧的被动驱动力的强度与电磁弹簧线圈8通入的电流强度的二次方成正比。优选的，电磁弹簧电枢6和电磁弹簧磁轭7使用软磁材料制作，用于导磁。
优选的，电磁弹簧磁轭7包括弧形段71和直段72，弧形段71与电磁弹簧电枢6首尾相连，电磁弹簧线圈8绕于直段72上，直段72一端连接于弧形段71中间，直段72另一端连接电磁弹簧电枢6。弧形段71分别与电磁弹簧电枢6两侧之间设有气隙，直段72与电磁弹簧电枢6之间设有气隙。
法应力电磁致动器包括致动器磁轭2、致动器线圈3、永磁体4以及致动器电枢5，致动器磁轭2和致动器电枢5首尾相连，且致动器电枢5两侧分别与致动器磁轭2之间设有气隙，在未工作状态下，致动器电枢5两侧气隙相等。永磁体4一端吸附于致动器磁轭2中间，永磁体4另一端与致动器电枢5之间设有气隙。致动器电枢5连接柔顺机构1运动端，致动器线圈3绕于致动器磁轭2上，致动器磁轭2连接于基座9上。致动器电枢5为法应力电磁致动器的动子，致动器磁轭2、致动器线圈3以及永磁体4为法应力电磁致动器的定子。致动器线圈3的电流强度和线圈匝数与法应力电磁致动器的主动驱动力成正比；法应力电磁致动器被动驱动力与致动器电枢5的位移大小呈正比且同向。优选的，致动器磁轭2和致动器电枢5使用软磁材料制作，用于导磁。
法应力电磁致动器的主动驱动力作用于致动器电枢5上，致动器电枢5将主动驱动力传递给柔顺机构1的运动端，在柔顺机构1的导向下，致动器电枢5和柔顺机构1的运动端发生位移，使致动器电枢5两侧气隙不相等，此时，永磁体4产生的直流磁通在致动器电枢5两侧气隙间分布的密度将不同，气隙小的一侧更密，法应力电磁致动器产生被动驱动力；
当致动器电枢5和柔顺机构1的运动端发生位移时，电磁弹簧电枢6同时发生位移，使电磁弹簧电枢6两侧的气隙大小不相等，电磁弹簧线圈8通电产生的直流磁通在电磁弹簧电枢6左右两侧气隙间分布的密度不同，气隙小的一侧更密，电磁弹簧产生被动驱动力；
致动器电枢5、电磁弹簧电枢6以及柔顺机构1的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置。
更为具体的，柔顺机构1提供正刚度，电磁弹簧提供一部分可以调节的负刚度，法应力电磁致动器的永磁体4提供一部分固定的负刚度，三种刚度叠加组成电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚度，由于电磁弹簧所提供的负刚度强度是可以根据调节通入电磁弹簧线圈8的电流而调节的，因此电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚度是可调的。
理论上，电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚度是可以从柔顺机构1的正刚度与永磁体4提供的负刚度之和向下任意调节的，但应注意，其总体刚度应不小于零，且保证一定的裕量，否则将引起系统的不稳定。
设法应力电磁致动器能够提供的最大绝对主动驱动力为Fmax，act＝KactNImax，act，其中N是致动器线圈3的匝数，Imax，act是通入致动器线圈3的最大绝对电流强度，Kact与法应力电磁致动器的几何设计参数及材料性能参数有关，是最大绝对主动驱动力与NImax间的比例系数。设柔顺机构1的刚度为kcomp，与柔顺机构1的几何设计参数与材料性能参数有关。设法应力电磁致动器的永磁体4提供的负刚度强度为kFM，与法应力电磁致动器的几何设计参数及材料性能参数有关。设可调刚度电磁负刚度弹簧所提供的负刚度为
Figure BDA0003768317710000061
其中Isp是通入电磁弹簧线圈8的电流强度，Ksp与可调刚度电磁负刚度弹簧的几何设计参数及材料性能有关，是可调刚度电磁负刚度弹簧所提供的负刚度与
Figure BDA0003768317710000062
间的比例系数。
基于此，电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚度为k＝kcomp-kFM-ksp。
进一步地，可计算可调刚度纳米定位平台的最大绝对行程
Figure BDA0003768317710000063
可计算可调刚度纳米定位平台的固有频率
Figure BDA0003768317710000071
其中m是电磁驱动可调刚度纳米定位平台的动子的动质量。
基于此，由于电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚度k是可调的，因此其最大绝对行程Smax和固有频率f是可调的。调整刚度的过程不需进行任何机械调整，只需对通入电磁弹簧线圈8的电流进行调节，这也为对刚度的伺服控制提供了可能。
由于法应力电磁致动器中被动致动力是永磁体4提供的，因此法应力电磁致动器的负刚度是固定的，不可调节的。而电磁弹簧的负刚度特性所导致的被动驱动力强度与通入电磁弹簧线圈8的电流强度有关，是可调节的。因此，电磁驱动可调刚度纳米定位平台相较传统的不可调整刚度纳米定位平台，具有灵活的性能指标，能够适应不同的应用场景。只需一个电磁驱动可调刚度纳米定位平台就可满足高频、大行程的性能需求。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，包括柔顺机构(1)、法应力电磁致动器、电磁弹簧以及基座(9)，所述法应力电磁致动器包括致动器定子和致动器动子，所述致动器定子与所述致动器动子两侧设有气隙，所述电磁弹簧包括电磁弹簧定子和电磁弹簧动子，所述电磁弹簧定子与所述电磁弹簧动子两侧设有气隙，所述致动器定子和电磁弹簧定子分别连接于所述基座(9)上，所述致动器动子和所述电磁弹簧动子分别连接于所述柔顺机构(1)的运动端，所述柔顺机构(1)的固定端连接于所述基座(9)上；
未工作时，所述致动器动子和所述电磁弹簧动子两侧气隙相等；工作时，在所述柔顺机构(1)的导向下，所述致动器动子和所述柔顺机构(1)的运动端发生位移，带动所述电磁弹簧动子发生位移，使所述致动器动子和所述电磁弹簧动子两侧的气隙大小不相等，所述致动器动子、所述电磁弹簧动子以及所述柔顺机构(1)的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置；
所述柔顺机构(1)提供正刚度，所述法应力电磁致动器提供一部分固定的负刚度，所述电磁弹簧提供一部分可调节的负刚度，实现电磁驱动可调刚度纳米定位平台的总体刚体可调。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述电磁弹簧包括电磁弹簧电枢(6)、电磁弹簧磁轭(7)以及电磁弹簧线圈(8)，所述电磁弹簧电枢(6)和所述电磁弹簧磁轭(7)首尾相连，所述电磁弹簧电枢(6)连接所述柔顺机构(1)运动端，所述电磁弹簧线圈(8)绕于所述电磁弹簧磁轭(7)上，所述电磁弹簧磁轭(7)固定于所述基座(9)上；
所述电磁弹簧电枢(6)为所述电磁弹簧动子，所述电磁弹簧磁轭(7)和所述电磁弹簧线圈(8)为所述电磁弹簧定子。
3.根据权利要求2所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述电磁弹簧磁轭(7)的两端分别与所述电磁弹簧电枢(6)之间设有所述气隙，未工作状态下，所述电磁弹簧电枢(6)两侧气隙相等。
4.根据权利要求3所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述法应力电磁致动器包括致动器磁轭(2)、致动器线圈(3)、永磁体(4)以及致动器电枢(5)，所述致动器磁轭(2)和所述致动器电枢(5)首尾相连，所述永磁体(4)一端吸附于所述致动器磁轭(2)中间，所述永磁体(4)另一端与所述致动器电枢(5)之间设有气隙，所述致动器电枢(5)连接所述柔顺机构(1)运动端，所述致动器线圈(3)绕于所述致动器磁轭(2)上，所述致动器磁轭(2)连接于所述基座(9)上；
所述致动器电枢(5)为所述法应力电磁致动器动子，所述致动器磁轭(2)、所述致动器线圈(3)以及所述永磁体(4)为所述法应力电磁致动器定子。
5.根据权利要求4所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述致动器电枢(5)两侧分别与所述致动器磁轭(2)之间设有气隙，在未工作状态下，所述致动器电枢(5)两侧气隙相等。
6.根据权利要求5所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述法应力电磁致动器的主动驱动力作用于所述致动器电枢(5)上，所述致动器电枢(5)将主动驱动力传递给所述柔顺机构(1)的运动端，在所述柔顺机构(1)的导向下，所述致动器电枢(5)和所述柔顺机构(1)的运动端发生位移，使所述致动器电枢(5)两侧气隙不相等，此时，所述永磁体(4)产生的直流磁通在所述致动器电枢(5)两侧气隙间分布的密度将不同，气隙小的一侧更密，所述法应力电磁致动器产生被动驱动力；
当所述致动器电枢(5)和所述柔顺机构(1)的运动端发生位移时，所述电磁弹簧电枢(6)同时发生位移，使所述电磁弹簧电枢(6)两侧的气隙大小不相等，所述电磁弹簧线圈(8)通电产生的直流磁通在所述电磁弹簧电枢(6)左右两侧气隙间分布的密度不同，气隙小的一侧更密，所述电磁弹簧产生被动驱动力；
所述致动器电枢(5)、所述电磁弹簧电枢(6)以及所述柔顺机构(1)的运动端进一步向气隙小的一侧产生位移，直至到达平衡位置。
7.根据权利要求4所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述致动器线圈(3)的电流强度和线圈匝数与所述法应力电磁致动器的主动驱动力成正比；
所述法应力电磁致动器被动驱动力与所述致动器电枢(5)的位移大小呈正比且同向。
8.根据权利要求2所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述电磁弹簧的被动驱动力与所述电磁弹簧电枢(6)的位移大小呈正比且同向；
所述电磁弹簧的被动驱动力的强度与所述电磁弹簧线圈(8)通入的电流强度的二次方成正比。
9.根据权利要求2所述的电磁驱动可调刚度纳米定位平台，其特征在于，所述电磁弹簧磁轭(7)包括弧形段(71)和直段(72)，所述弧形段(71)与所述电磁弹簧电枢(6)首尾相连，所述电磁弹簧线圈(8)绕于所述直段(72)上，所述直段(72)一端连接于所述弧形段(71)中间，所述直段(72)另一端连接所述电磁弹簧电枢(6)；
所述弧形段(71)分别与所述电磁弹簧电枢(6)两侧之间设有气隙，所述直段(72)与所述电磁弹簧电枢(6)之间设有气隙。
CN202210892980.5A 2022-07-27 2022-07-27 电磁驱动可调刚度纳米定位平台 Pending CN115149767A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117811280A (zh) * 2024-02-29 2024-04-02 清华大学 磁阻电机及磁阻电机的设计方法

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